第2章故障及基本概念

1、2022-5-3第第2 2章章 故障及其概念故障及其概念2022-5-32.1 2.1 故障的概念故障的概念 定义：定义：一台机器丧失其规定功能的现象，称一台机器丧失其规定功能的现象，称为故障。为故障。 判断故障的准则：判断故障的准则：在给定的工作状态下，设在给定的工作状态下，设备的功能与约束条件不能满足正常运行或原备的功能与约束条件不能满足正常运行或原设计期望的要求。设计期望的要求。2022-5-3有时也应用特定词有时也应用特定词“失效失效”(Failure)(Failure)，如设，如设备因腐蚀而失效，也属故障范畴。在一般情备因腐蚀而失效，也属故障范畴。在一般情况下两者是同义词，但严格地说

2、失效与故障况下两者是同义词，但严格地说失效与故障是有区别的。是有区别的。失效失效是指是指不可修复产品不可修复产品“丧失了其规定功丧失了其规定功能能” 。故障故障是指是指可修复产品可修复产品“丧失了其规定功能丧失了其规定功能” 。2022-5-3 常见的故障：常见的故障：（1）使机械或系统立即丧失其功能的破坏性故障。）使机械或系统立即丧失其功能的破坏性故障。（2）由于设计、制造、安装、维护、检修等与机器）由于设计、制造、安装、维护、检修等与机器（系统）性能有关的参数不适当造成机器（系统）性（系统）性能有关的参数不适当造成机器（系统）性能降低的故障。能降低的故障。（3）机器（系统）在给定条件下工作

3、时，由于操作不）机器（系统）在给定条件下工作时，由于操作不当引起的故障。当引起的故障。 故障的相对性：故障的相对性： 磨粒尺寸：矿山磨粒尺寸：矿山25u um ； 船舶船舶15u um2022-5-32.2 2.2 机器（系统）故障的外因机器（系统）故障的外因 环境因素环境因素 机械能、热能 、化学能 、其他能量人为因素人为因素 时间因素时间因素 设计不良 、质量偏差 、使用不当 2022-5-3环境因素环境因素 机械能、热能 、化学能 、其他能量机械能机械能 u 零件在加工中需要消耗机械能，而同时机械能又会以内应力的形式保存在零件内部。因此，由于内应力再分布而发生零件变形和热处理后零件体积自

4、动发生变化等也属机械能的作用。u 机械应力使机械强度降低、磨损加剧、裂纹扩展、变形加大以及导致机械的破坏。 2022-5-3热能热能 u 热胀冷缩将引起零件间配合关系的改变、密封失效以及内应力等问题u 温度不均将导致局部应力集中，加速裂纹扩展u 高低温将改变金属的性能，产生热脆或冷脆u在交变热应力作用下还会产生热疲劳2022-5-3化学能化学能 u含有水份和浸蚀成份的空气会使零件产生腐蚀破坏。u 机器（系统）在有浸蚀介质的条件下工作，如化工机械、船舶、纺织机械等还会直接受到化学能的破坏作用。2022-5-3其他能量其他能量 u 核能、电磁能以及生物因素等同样会对零件产生破坏作用，影响机器（系统

5、）的工作能力 。Figure 1 Vessel hull fouling2022-5-3环境因素环境因素 主要影响主要影响 典型故障典型故障机械能产生振动、冲击、压力、加速度、机械应力等机械强度降低、功能受影响、磨损加剧、过量变形、疲劳破坏、零件断裂热能产生热老化、氧化、软化、熔化、粘性变化、固化、脆化、热胀冷缩及热应力等电气性能变化、润滑性能降低、机械应力增加、磨损加剧、机械强度降低、腐蚀加速、热疲劳破坏、密封性能破坏化学能产生受潮、干燥、脆化、腐蚀、电蚀、化学反应及污染等功能受影响、电气性能下降、机械性能降低、保护层损坏、表面变质、化学反应加剧、零件断裂其他能量产生脆化、加热、蜕化、电离及

6、磁化表面变质、材料褪色、热老化、氧化、材料的物理性能、化学性能、电气性能发生变化2022-5-3设计不良设计不良 人为因素人为因素 设计不良 、质量偏差 、使用不当 在新产品设计时，常常会遇到许多未知的因素；u未被广泛研究过的新环境或实际情况不甚熟悉的老环境 u性能未被全部掌握的新材料 u对零件的载荷性质、强度判断、故障形式等都可能包含着不同程度的未知因素 2022-5-3设计不良设计不良 设计条件的种种限制也会给机器（系统）带来不可靠的因素。u现有的材料或标准件并不具有设计者所期望的性能 u复杂的机器（系统）由于性能和重量的限制，不能采用故障率较低的冗余设计u由于制造成本或加工条件的限制，不

7、能采用设计所要求的合理加工工艺 2022-5-3 在设计时：在设计时：掌握零件所受载荷的性质与大小具有可靠的材料性能数据熟悉零件的失效机理建立合理的强度判据采用合理的设计方法并进行严格的设计审查2022-5-3人为因素人为因素 设计不良 、质量偏差 、使用不当 质量偏差质量偏差u 铸造、锻造、热处理和焊接等工艺过程中会产生各种典型的工艺缺陷；u 加工过程中造成零件对理想结构和质量的偏差；u 装配缺陷。2022-5-3人为因素人为因素 设计不良 、质量偏差 、使用不当 使用不当使用不当运输和装卸不当；存放不当；机械操作空间过小、布置不合理、照明条件差、温度异常、振动和噪声严重；使用中不严格遵守维

8、修保养规程或对机械缺乏及时地检查和日常保养；对操作人员选择和训练不当、操作人员责任心不强、生理或心理状况异常或者没有掌握操作作技术而擅自进行操作。 2022-5-3没有时间的延续故障不一定会发生没有时间的延续故障不一定会发生 时间因素时间因素 2022-5-3（1）按故障发生的原因分）按故障发生的原因分 自然故障自然故障 是指设备在运行时，因自身的原因而造成的是指设备在运行时，因自身的原因而造成的故故 障。可以有正常的自然故障和异常的自然故障。障。可以有正常的自然故障和异常的自然故障。 人为故障人为故障 是由于设备的操作者无意或有意而造成的故是由于设备的操作者无意或有意而造成的故障。这类故障往

9、往不被重视，而事实上它在生产中出现得障。这类故障往往不被重视，而事实上它在生产中出现得还是比较多的。还是比较多的。（2）按故障发生的规律分）按故障发生的规律分随机性故障随机性故障 不可监测不可监测规律性故障规律性故障 可检测可检测2.3 2.3 故障的分类故障的分类2022-5-3（3）按故障发生的速度及演变过程分类）按故障发生的速度及演变过程分类 突发性故障突发性故障 在故障出现前，并无明显可察征兆，而在故障出现前，并无明显可察征兆，而且是突然发生的，并且一般破坏性也较大。且是突然发生的，并且一般破坏性也较大。 渐进性故障渐进性故障 是由于设备中零件的技术指标逐渐恶化，是由于设备中零件的技术

10、指标逐渐恶化，最终超出允许范围而引起的故障。最终超出允许范围而引起的故障。 渐进性故障的特点是渐进性故障的特点是: : （1 1）出现故障的时间是在元件有效寿命的后期。）出现故障的时间是在元件有效寿命的后期。 （2 2）有规律性，可预防。）有规律性，可预防。 （3 3）故障发生的概率与机器运转时间有关。）故障发生的概率与机器运转时间有关。2022-5-3 （4）按故障对工程技术的安全性分类）按故障对工程技术的安全性分类 危险性故障危险性故障 刹车系统故障刹车系统故障 安全性故障安全性故障 机床启动故障机床启动故障 （5）按故障持续时间分类）按故障持续时间分类 间断性故障间断性故障 故障发生后，

11、在没有外界干涉的情况下故障发生后，在没有外界干涉的情况下 可以自行恢复的故障。可以自行恢复的故障。 持续性故障持续性故障 故障发生后，只有在外界采取措施、更故障发生后，只有在外界采取措施、更 换劣化部件后才能恢复、换劣化部件后才能恢复、 达到原有功能。达到原有功能。2022-5-3（6）按故障的相关性分）按故障的相关性分相关故障相关故障 也可称间接故障，由于机械的其他零件的故障也可称间接故障，由于机械的其他零件的故障所引起的，因此也称二次故障。例如，由于润滑泵的故障所引起的，因此也称二次故障。例如，由于润滑泵的故障使润滑油中断流动，而使曲轴主轴瓦粘着（咬死）使润滑油中断流动，而使曲轴主轴瓦粘着

12、（咬死）, ,在这在这种情况下，对于主轴瓦来说就属于相关故障。种情况下，对于主轴瓦来说就属于相关故障。非相关故障非相关故障 即直接故障，指产品的故障不是由机器其它即直接故障，指产品的故障不是由机器其它元件故障所引起的。元件故障所引起的。 （7）按故障发生的后果分）按故障发生的后果分 完全性故障完全性故障 设备或部件完全丧失其功能的故障。设备或部件完全丧失其功能的故障。 局部性故障局部性故障 设备部分性能指标下降，但未丧失其全部功设备部分性能指标下降，但未丧失其全部功能的故障。能的故障。2022-5-3（8）按故障产生的原因分类）按故障产生的原因分类 先天性故障先天性故障 由于设计、制造不当而造

13、成的设备固有缺由于设计、制造不当而造成的设备固有缺陷而引起的故障。陷而引起的故障。 使用性故障使用性故障 由于维修、运行过程中使用不当或自然产由于维修、运行过程中使用不当或自然产生的故障。生的故障。2022-5-3（9）按故障造成的后果分类）按故障造成的后果分类 轻微故障轻微故障 设备略微偏离正常的规定指标，影响轻微的设备略微偏离正常的规定指标，影响轻微的故障。故障。 一般故障一般故障 设备个别部件劣化，部分功能丧失，造成运设备个别部件劣化，部分功能丧失，造成运行质量下降，导致能耗增加、环境噪声增大等的故障。行质量下降，导致能耗增加、环境噪声增大等的故障。 严重故障严重故障 关键设备或关键部件

14、劣化，整体功能丧失，关键设备或关键部件劣化，整体功能丧失，造成停机或局部停产甚至整个生产线完全停产或部分停产造成停机或局部停产甚至整个生产线完全停产或部分停产的故障。的故障。 恶性故障恶性故障 设备遭受严重破坏，造成重大经济损失，甚设备遭受严重破坏，造成重大经济损失，甚至危及人身安全或造成严重污染的故障。至危及人身安全或造成严重污染的故障。 2022-5-3 2.4 2.4 故障规律故障规律- -典型故障率曲线典型故障率曲线 早期故障期早期故障期特点：特点：初期初期(t)高；随高；随t，(t)；早期故障期；早期故障期短。短。产生原因：产生原因：设计选材不当；装配不当；使用设计选材不当；装配不当

15、；使用不当。不当。消除方法：消除方法：试车调试、磨合、更换有缺陷的试车调试、磨合、更换有缺陷的零件。零件。偶发故障期偶发故障期特点：特点： (t)低，基本不变；由偶然因素引起；随机故低，基本不变；由偶然因素引起；随机故障的时间决定了机械的工作寿命。障的时间决定了机械的工作寿命。产生原因：产生原因：潜在因素（设计制造中潜在缺陷）；使用潜在因素（设计制造中潜在缺陷）；使用维护不当；工作条件恶化。维护不当；工作条件恶化。消除方法：消除方法：加强管理；采取工况监测方法。加强管理；采取工况监测方法。严重故障期严重故障期特点：特点：随随t，(t) ；(t)符合正态分布或威布尔分符合正态分布或威布尔分布。布

16、。产生原因：产生原因：由于机械本身的物理或化学等变化所引由于机械本身的物理或化学等变化所引起的磨损、腐蚀、疲劳等现象而引起的。起的磨损、腐蚀、疲劳等现象而引起的。消除方法：消除方法：适时维修。适时维修。2022-5-3与磨损过程比较与磨损过程比较磨损过程大致可分为以下三个阶段：磨损过程大致可分为以下三个阶段：1.1.跑合（磨合）磨损阶段跑合（磨合）磨损阶段2.2.稳定磨损阶段稳定磨损阶段3.3.剧烈磨损阶段剧烈磨损阶段磨合阶段的特征磨合阶段的特征是磨损速度及磨损率都急剧增大。是磨损速度及磨损率都急剧增大。在跑合阶段结束后应清洗零件，更换润滑油。在跑合阶段结束后应清洗零件，更换润滑油。2022-

17、5-3运动运动粘着粘着断裂断裂粘着磨损位置粘着磨损位置粘着磨损粘着磨损2022-5-3 由于摩擦表面上的硬质由于摩擦表面上的硬质突出物或从外部进入摩擦表突出物或从外部进入摩擦表面的硬质颗粒，对摩擦表面面的硬质颗粒，对摩擦表面起到切削或刮擦作用，从而起到切削或刮擦作用，从而引起表层材料脱落的现象，引起表层材料脱落的现象，称为磨粒磨损。这种磨损是称为磨粒磨损。这种磨损是最常见的一种磨损形式。最常见的一种磨损形式。磨粒磨损磨粒磨损2022-5-3表面疲劳磨损表面疲劳磨损 材料微观体积受循环接触压力，产生重复变形，导材料微观体积受循环接触压力，产生重复变形，导致裂纹和分离出微片或颗粒的磨损，称为疲劳磨

18、损。致裂纹和分离出微片或颗粒的磨损，称为疲劳磨损。 2022-5-3腐蚀磨损腐蚀磨损 摩擦副对偶表面在相对滑动过程中，表面材料与摩擦副对偶表面在相对滑动过程中，表面材料与周围介质发生化学或电化学反应，并伴随机械作用而周围介质发生化学或电化学反应，并伴随机械作用而引起的材料损失现象，称为腐蚀磨损。引起的材料损失现象，称为腐蚀磨损。 2022-5-3定义：定义：故障产生的物理化学过程及其表现状态。故障产生的物理化学过程及其表现状态。故障抗力指标：故障抗力指标：材料自身抵抗外界损伤的能力。材料自身抵抗外界损伤的能力。2.5 2.5 故障模式故障模式 2022-5-3外因外因故障原因故障原因内因内因环

19、境因素环境因素人为因素人为因素时间因素时间因素导致发生故障导致发生故障的物理、化学的物理、化学或机械过程或机械过程（故障机理）（故障机理）故障模式与产生故障的外界因素和故障机理有密切的关系。故障模式与产生故障的外界因素和故障机理有密切的关系。2022-5-3零件的主要故障模式零件的主要故障模式 2022-5-3故障模式的描述方法故障模式的描述方法 三类别法：三类别法：诱发因素、表现形式、故障部位诱发因素、表现形式、故障部位 诱发因素诱发因素应力因素应力因素环境因素环境因素时间因素时间因素大小大小状态状态方式方式温度温度工作介质工作介质 拉伸、剪切、拉伸、剪切、 压缩、冲击压缩、冲击 持久持久交

20、变交变复合复合2022-5-3表现形式表现形式变形变形断裂断裂材料变化材料变化弹性弹性变形变形塑性塑性变形变形物理性物理性能的变能的变化化整体整体断裂断裂表面表面剥离剥离化学性化学性能的变能的变化化磨损磨损故障部位：整体、局部；表面、内部。故障部位：整体、局部；表面、内部。2022-5-3常见的故障模式常见的故障模式 1）凹痕）凹痕 诱发因素：静载荷诱发因素：静载荷 表现形式：塑性变形表现形式：塑性变形 故障部位：局部的不连续。故障部位：局部的不连续。 2）腐蚀）腐蚀 诱发因素：腐蚀介质或电解质诱发因素：腐蚀介质或电解质 表现形式：表面损伤表现形式：表面损伤 故障部位：局部、整体故障部位：局部

21、、整体 2022-5-33 3）断裂：金属材料的一个具有有限面积的几何表面的分离过程。）断裂：金属材料的一个具有有限面积的几何表面的分离过程。 （1 1）脆性断裂：运行中温度、载荷的变化使材料变脆而形成）脆性断裂：运行中温度、载荷的变化使材料变脆而形成的断裂。的断裂。 诱发因素：载荷、温度诱发因素：载荷、温度 表现形式：变脆表现形式：变脆裂纹裂纹断裂断裂 故障部位：局部故障部位：局部整体整体 断口：平整光亮断口：平整光亮 （2 2）塑性断裂）塑性断裂 诱发因素：外载荷诱发因素：外载荷 表现形式：颈缩表现形式：颈缩断裂断裂 故障部位：局部故障部位：局部整体整体 断口：灰色纤维状断口：灰色纤维状

22、2022-5-3 定义：定义：引起机械系统故障的物理、化学变化等的内引起机械系统故障的物理、化学变化等的内在原因、规律及其原理。在原因、规律及其原理。 故障机理依产品的种类、使用条件而异，不能一概故障机理依产品的种类、使用条件而异，不能一概而论，但往往以磨损、疲劳、腐蚀、氧化等简单形式表而论，但往往以磨损、疲劳、腐蚀、氧化等简单形式表现。现。 调查统计分析表明，机械、电气设备的零部件所发调查统计分析表明，机械、电气设备的零部件所发生的故障机理可归纳为蠕变或应力断裂、腐蚀、磨损、生的故障机理可归纳为蠕变或应力断裂、腐蚀、磨损、冲击断裂、疲劳和热六类，这种分类称为冲击断裂、疲劳和热六类，这种分类称为SCWIFTSCWIFT分类法。分类法。2.6 2.6 故障机理故障机理 2022-5-32.7 2.7 机械系统故障状态标准机械系统故障状态标准 零件零件损伤损伤输出参数变化输出参数变化 故障故障 工作能力耗损工作能力耗损 损伤的累积损伤的累积 2022-5-32.7.1 2.7.1 损伤程度的极限值损伤程度的极限值 零件损伤程度指标零件损伤程度指标 可根据机械系统类型及其可靠性要求来选择损伤程度的指标。可根据机械系统类型及其可靠性要求来选择损伤程度的指标。 2022-5-3在估计柴油机喷油嘴针阀的疲劳程度时规定以锥形面在估计柴油机喷油嘴针阀的疲劳程度时规定以锥形面上的